Termodynamiikka

Question: Mitkä ovat termodynamiikan lait?

Termodynamiikka (lämpöoppi) on energian, lämmön, työn, entropian ja tapahtumien spontaanisuuden fysiikkaa. Termodynamiikka on läheisesti yhteydessä tilastolliseen fysiikkaan, josta monet sen lainalaisuudet voidaan johtaa.
Termodynamiikan historiaa
Klassinen termodynamiikka sai alkunsa 1800-luvun alussa. Se liittyi höyrykoneen kehittämiseen. Alussa termodynaaminen tutkimus keskittyi kokeellisiin mittauksiin eikä ottanut kantaa aineen rakenneosiin. Sir Benjamin Thompson tulkitsi jo 1700-luvun lopussa lämmön aineen liikkeeseen perustuvaksi, mutta hänen ajatuksensa otettiin energian käsitteen avulla käyttöön termodynamiikan tutkimuksessa vasta 1800-luvun alussa. William Thomson, tutummin lordi Kelvin, kehitti termodynamiikan teoriasta yhtenäisemmän.
Termodynamiikan peruskäsitteitä[1]
Termodynamiikan pääkäsite on systeemi. Systeemi on osa, jonka todellinen tai kuviteltu raja erottaa ympäristöstä. Systeemit luokitellaan avoimiksi, suljetuiksi ja eristetyiksi sen mukaan, kulkevatko aine ja energia niiden rajapinnan läpi ympäristöön.
Tila on systeemin termodynaamisten muuttujien joukko.
Systeemin tila muuttuu kun tapahtuu jokin termodynaaminen prosessi.
Termodynamiikan pääsäännöt
Termodynamiikan nollas pääsääntö: tasapaino [1]
Jos systeemit A ja C sekä B ja C ovat keskenään termodynaamisessa tasapainossa, niin silloin myös A ja B ovat tasapainossa.
tai eristetyssä systeemissä eri lämpöiset kappaleet aikaa myöten asettuvat lopulta samaan lämpötilaan.
Tähän perustuu muun muassa lämpömittarien toiminta. Säännön poikkeuksellinen nimeäminen johtuu siitä, että sääntö otettiin käyttöön vasta 1900-luvulla, jolloin ensimmäinen ja toinen pääsääntö oli otettu käyttöön. Aiempien sääntöjen nimeämistä ei haluttu muuttaa, joten se nimettiin nollanneksi. Sääntö on myös niin perustavanlaatuinen, ettei sitä sopinut nimetä jo olemassa olleiden sääntöjen perilliseksi.
Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö: energian säilyminen[1]
dU = δQ + δW,

jossa U on systeemin sisäenergia, Q on systeemiin tuotu lämpömäärä ja W on systeemiin tehty työ. Tämä on nykyinen IUPAC:in mukainen merkintätapa.[2]
Energiaa ei voida luoda eikä hävittää. Ainoastaan muuttaa muodosta toiseen.
tai adiabaattisessa prosessissa tehty työ riippuu vain alku- ja lopputilasta, eikä prosessin kulusta
tai systeemiin tuotu lämpö muuttuu systeemin sisäenergiaksi, miinus systeemin tekemä työ.
Ensimmäinen pääsääntö on sama kuin energian säilymislaki termodynamiikkaan sovellettuna. Tietty määrä  mekaanista työtä vastaa tiettyä määrää lämpöä, minkä osoittaa lämmön mekaaninen ekvivalentti.
Tämän vuoksi on ikiliikkuja mahdoton, koska esimerkiksi kitkan voittamiseksi systeemissä olisi synnyttävä koko ajan lisää energiaa.
Termodynamiikan toinen pääsääntö: entropian kasvu[1]
eristetyn systeemin prosessi etenee kohti suurinta todennäköisyyttä eli suuntaan jossa entropia kasvaa ja vapaa energia vähenee.
tai eristetyn systeemin kokonaisentropia kasvaa
tai lämpöä ei voi muuttaa täydellisesti työksi
tai kaikki ajautuu järjestyksestä kaaokseen
Mikään ei estä järjestystä kasvamasta hetkellisesti, mutta koska epäjärjestyneiden tilojen todennäköisyys on valtavasti suurempi kuin järjestyneiden (hiukkaset voivat järjestyä "epäjärjestykseen" monilla tavoin, "järjestykseen" vain yhdellä tavoin), etenee kehitys todennäköisyyslaskennan lakien mukaan suuressa mittakaavassa, ts. suurella määrällä tapahtumia aina kohti todennäköisintä, epäjärjestyneintä lopputilaa.
Termodynamiikan kolmas pääsääntö: entropian nollapiste[1]
Täydellisen kiteen entropia on nolla
kaikki toiminta lakkaa absoluuttisessa nollapisteessä.
Tämän vuoksi absoluuttista nollapistettä ei voi saavuttaa.
Termodynaamisia käsitteitä
Faasi
Systeemi
Lämpöopin suureita
Sisäenergia U
Lämpötila T
Paine p
Tilavuus V
Tiheys ρ
Entropia S
Helmholtzin vapaaenergia F
Gibbsin vapaaenergia G
Entalpia H
Kemiallinen potentiaali μ
Hiukkasluku (ainemäärä) n
Ekstensiivi- ja intensiivisuureet
Termodynamiikassa käytettävät suureet jaetaan ekstensiivisiin ja intensiivisiin suureisiin.
Ekstensiiviset suureet ovat verrannollisia systeemin ainemäärään. Sellaisia ovat esimerkiksi tilavuus, sisäenergia ja lämpökapasiteetti.
Intensiiviset suureet ovat ainemäärästä riippumattomia. Sellaisia ovat esimerkiksi lämpötila, paine, aineen tiheys ja sen käänteisarvo ominaisuustilavuus, samoin moolitilavuus, ominaissisäenergia tai molaarinen sisäenergia, ominaislämpö tai molaarinen ominaislämpö. Intensiivisuureet saadaan ekstensiivisuureista jakamalla se massalla tai ainemäärällä; esimerkiksi aineen ominaislämpö on kappaleen lämpökapasiteetti jaettuna sen massalla.

Lähteet

Kirjallisuutta
Citation error, replace with{{cite book| author = Karttunen, Hannu| title = Fysiikka| publisher = Helsingissä: Tähtitieteellinen yhdistys Ursa| year = 2006| version = Tiedettä kaikille. Ursan julkaisuja 89| id = ISBN 952-5329-32-1}}
Aiheesta muualla

Luokka:Systeemit
*
Luokka:Seulonnan keskeiset artikkelit